CC BY
52
УДК 62-59:629.113.001.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯТОРА ЭЛЕКТРОННО-ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ТОРМОЗНОГО
ПРИВОДА
С.И. Ломака, профессор, к.т.н., Л.А. Рыжих, профессор, к. т.н., А.Н. Красюк, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Предложена статическая математическая модель пропорционального модулятора электронно-пневматического тормозного привода, позволяющая выбрать параметры пропорционального модулятора и оценить качество следящего действия.
Ключевые слова: статическая математическая модель, пропорциональный модулятор, электронно-пневматический тормозной привод, шаговый двигатель, следящее действие.
Введение
Электронно-пневматический тормозной привод (ЭПТП) для грузовых транспортных средств и автопоездов в настоящее время обеспечивает максимальный уровень активной безопасности за счет выполнения большого числа функций, таких как: электронное управление пневматической частью привода, электронное распределение тормозных сил между осями, функция антиблокировочной системы, функция системы курсовой устойчивости, функция системы динамической устойчивости, функция системы адаптивного регулирования скорости, функция противо-буксовочной системы. Электронно-пневматический тормозной привод широко применяется на автопоездах зарубежного производства [1].
Анализ публикаций
Существующие конструкции электронно-пневматического тормозного привода, построенные на основе релейных модуляторов, не способны обеспечить высокое качество регулирования процесса торможения [2]. Поэтому использование пропорциональных модуляторов в составе ЭПТП, взамен релейных модуляторов, позволяет повысить качество регулирования процесса торможения до
уровня существующих пропорциональных следящих тормозных приводов.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является моделирование статической характеристики пропорционального модулятора, которая позволит определить параметры пропорционального модулятора, а также оценить качество следяще -го действия.
Выбор основных параметров пневматического модулятора
Исходя из особенностей конструкции пропорционального модулятора и работы шагового двигателя, для обеспечения высокой скорости срабатывания выбор основных параметров пропорционального модулятора проводится для режима работы шагового двигателя с постоянной частотой шагов [4, 5]. Физическая модель пропорционального модулятора исследуемой конструкции представлена функциональной схемой на рис. 1
[3].
Исходными данными для расчета являются:
- дискретность перемещения запорно-регу-лирующего элемента (ЗРЭ) г;
- радиус шестерни г;
- время полного хода запорно-регулирую-щего элемента
- масса золотника т.
к тормозной
гпр1 = гу + гтрь
(3)
1 2 3 4 5 ' 6 7
от ресивера
Рис. 1. Расчетная схема пропорционального модулятора электронно-пневматического тормозного привода: 1 - шестерня, установленная на валу шагового двигателя; 2 - золотник; 3 - возвратная пружина золотника; 4 - двухседельный клапан; 5 - пружина двухседельного клапана; 6 - следящий пневмопоршень; 7 -пружина следящего пневмопоршня
Общее сопротивление перемещения подвижных деталей ЗРЭ определяется
Кб = а •т + Е^тр
+ Г + Г
^ -'ПР 2 ^ •'СК'
(1)
где а - ускорение подвижных деталей ЗРЭ; т - масса подвижных деталей ЗРЭ; ЕГТР -суммарная сила трения при перемещении подвижных деталей ЗРЭ в корпусе модулятора; ГПР2 - усилие пружины 3 (рис. 1); ГСК -усилие, необходимое для открытия впускного клапана, образованного двухседельным клапаном 4 и следящим пневмопоршнем 6 (рис. 1).
Усилие, необходимое для открытия впускного клапана, определяется по следующей зависимости:
Гск _ Гпр2 + Гр + Гт
(2)
где ГПР1 - усилие пружины 5, необходимое для обеспечения герметичности впускного клапана; ГР - сила, действующая на клапан 4 от давления воздуха; ГТР1 - сила трения уп-лотнительного кольца dКЛ по диаметру d2.
Усилие пружины, необходимое для обеспечения герметичности клапана, определяется
где ГУ - сила необходимая для обеспечения герметичности впускного клапана.
Сила, необходимая для обеспечения герметичности клапана, определяется [6]
Гу = кз Рртах ■ (d2 - Ь)Ь(1+0,4-цр) 2п; (4)
где кз - коэффициент запаса; Рртах - максимально возможное давление в приводе; Ь -ширина пояса клапана; цр - коэффициент трения на поверхности «резина - клапан».
Сила трения резинового кольца круглого сечения [7]
Г =
1 тр1
• К.
(5)
где К. - эмпирический коэффициент; dгз, dк - размеры уплотнительного кольца dКЛ.
Сила, действующая на клапан 4 от давления воздуха, рассчитывается
ГР = Рртах ' <SэФ, (6)
где 5ЭФ - эффективная площадь клапана 4.
§эф = (7)
Усилие пружины 3 определяется
гпр2 = гсд + fтр2, (8)
где ГСд - сила сопротивления вращению ротора шагового двигателя; ГТР2 - сила трения уплотнительного кольца dЗОЛ (определяется по формуле (5)).
Сила сопротивления вращению ротора шагового двигателя определяется
Гсд = 0,1Мд / г ,
(9)
где Мд - момент на валу шагового двигателя (Нмм); г - радиус шестерни 1.
Подбираем шаговый двигатель в следующем порядке:
Ориентировочный момент на валу шагового двигателя принимается по следующей формуле
Мдо = Мно / 0,4,
(10)
где МНО - ориентировочный момент сопротивления нагрузки;
Ориентировочный момент сопротивления нагрузки определяется по зависимости
Мно = 1,5(^СК + ^ТР) ■ г. (11)
С учетом выполненных расчетов выбираем шаговый электродвигатель.
Определяем рабочие характеристики шагового электродвигателя и проводим проверку правильности выбора шагового двигателя.
Перемещение ЗРЭ за один шаг шагового двигателя, который соответствует углу поворота ротора шагового двигателя а, определяется по формуле
к1 =
г-л-а 180 '
Полный ход ЗРЭ определяется
1 = я - г.
(12)
(13)
Определяем время одного шага шагового двигателя
^ = t 1 г
(14)
Определяем рабочую частоту шагового двигателя
/= 1.
V
(15)
Ускорение подвижных деталей ЗРЭ определяется по следующей зависимости, при условии работы шагового двигателя в режиме с постоянной частотой шагов
а =
2к1
(16)
Момент сопротивления нагрузки определяется по формуле
Мн = ^б - г.
(17)
Момент двигателя согласно [4] выбирается по зависимости
МН
МД = Д 0,4
(18)
После выбора шагового двигателя необходимо проверить рассчитанный привод на резонанс. Этот эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если рабочая частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.
Резонансная частота вычисляется по формуле
^0 = (#Тн/(ЛК+Л£))0,5/4 п, (19)
где - резонансная частота; N - число полных шагов на оборот; Тн - момент удержания для используемого способа управления и тока фаз; Ж - момент инерции ротора; Л, -момент инерции нагрузки.
Статическая характеристика пропорционального модулятора
Статическую характеристику пропорционального модулятора (рис. 1) определим как зависимость давления рТ в управляющей полости от перемещения золотника кзол, с учетом гистерезиса. При нажатии на педаль баланс сил, действующий на следящий элемент, описывается уравнением
к
С ''зол
к
^тр3 ^пр1 ^пр2 '
+^эф + ^ТР1 Рт
лЦ2 - ¿22) = 0 4 0,
(20)
где СПР - жесткость пружины следящего пневматического поршня; кЗОЛ - положение золотника; к1 - положение следящего пнев-мопоршня 6; ^ТР3 - сила трения кольца dКЛ по диаметру dl.
Давление в управляющей полости на прямой ветви статической характеристики
2
t
Рт =-
4 .1 С . ЗОЛ + F + F + F - F - F
ПР h TP3TJ ПР1 ПР2 ""ЭФ 1 ТР1
- d2)
(21)
Баланс сил, действующий на следящий поршень, в момент открытия выпускного клапана, при отпускании тормозной педали
с "зол
^пр ' ,
ftp3 ^пр1 '
"Рт •
n(d,2 - d22) = 0 4 '
(22)
Давление в управляющей полости на прямой ветви статической характеристики
(
\
Рт =■
с "зол — f — F
^пр ' , •гтрЭ •гпр1
n(d12 - dj)
•' (2Э)
Из полученных выражений на рис. 2 представлена расчетная статическая характеристика пропорционального модулятора.
р,
МПа
// sy
У, /У у
,у /У
/у
...... ,'У у
У/ /У
А
30 35 38
Ьзал, шат.
Рис. 2. Расчетная статическая характеристика
пропорционального модулятора:----
затормаживание,.....- растормажи-
вание
конструкции (рис. 1) [Э] обеспечивает высокое качество следящего действия.
Литература
1' Клюшкин Г'Г', Галамин В.А., Перфильев B.C., Кравцов Н'В' Электронная тормозная система Кнорр-Бремзе - шаг к новому уровню активной безопасности грузового автотранспорта // Грузовик. -М.: Машиностроение. - 2002. - № 9. -С. 43 - 45'
2' Клименко В.И., Рыжих Л.А., Тишко-вец С'В', Красюк АН. Пути совершенствования электронно-пневматической тормозной системы // В1СНИК СНУ iменi Володимира Даля. - Ч. 2. - 2008. -№7(125)' - С. 127 - 131'
3' Пат. 36321 Укра!на, МПК В60Т 8/36 Про-порцiональний модулятор електронно-пневматично! гальмiвноl системи: Пат. 36321 Укра!на, МПК В60Т 8/36; Турен-ко А'Н', Ломака СП, Клименко B.I., Рижих Л'О', Тишковець СВ., Чебан А.А., Красюк О'М' - № 200805078; Заявл. 21'04'2008; Опубл. 27.10.2008' - 7 с.
4' Ивоботенко БА., Рубцов В.П., Козачен-ко В'Ф', Цаценкин ВК., Чиликин МГ. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под ред' Чиликина М'Г' -М.: Энергия, 1971. - 624 с.
5' Ивоботенко Б'А', Козаченко В'Ф' Проектирование шагового электропривода / Под ред. Садовского Л. А. - М.: Моск. энерг. ин-т, 1985. - 100 с.
6. Совершенствование способов регулирова-
ния выходных параметров тормозной системы автотранспортных средств / Туренко А'Н., Богомолов В.А., Клименко В'И., Кирчатый В'И., Ходырев С.Я. -Харьков: ХНАДУ (ХАДИ), 2002. - 400 с.
7. Косий Р'А. Разработка и исследование тор-
мозного крана пневматического тормозного привода автотранспортного средства: Дис. ... канд. техн. наук: 11.10.2000. -Харьков, 2000. - 67 с.
Выводы
4
Разработана статическая модель, позволяющая определить все конструктивные параметры пропорционального модулятора. Статическая характеристика показывает, что пропорциональный модулятор предложенной
Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 10 апреля 2009 г.
